La deformación de los paquetes y las placas electrónicas aumenta a medida que se amplían los tamaños de los paquetes, los sustratos y el interposer, lo que lleva a las empresas de empaquetado a probar materiales capaces de compensar la expansión térmica en lugar de limitarse a reducirla. Una de las vías consiste en utilizar materiales con un coeficiente de expansión térmica negativo (NTE), que se contraen o limitan la expansión al aumentar la temperatura, y luego mezclarlos con resinas epoxi empleadas en compuestos de moldeo y materiales de relleno inferior (underfill).
El problema fundamental surge cuando entran en contacto materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica. Al calentarse, cada componente intenta expandirse a su propio ritmo, pero la adhesión entre las capas les impide moverse de forma independiente, lo que genera tensiones que provocan la curvatura del paquete o la placa. Cuanto mayor es el área de unión, mayores son las probabilidades de que las conexiones en los bordes se debiliten o fallen. La deformación puede llegar a ser tan grande que obstaculice incluso los equipos de fabricación; Knowlton Olmstead, de Amkor, explicó que las herramientas de fijación por succión podrían no lograr un buen vacío cuando la deformación es elevada.
¿Por qué se vuelve más urgente el problema?
La ampliación de los paquetes, los interposer y las placas forma parte de las tendencias del empaquetado avanzado, pero aumenta la sensibilidad del proceso a las diferencias mecánicas entre el silicio, el sustrato y el compuesto de moldeo. En ocasiones, la deformación puede reducirse adelgazando el silicio, aunque esto puede entrar en conflicto con la necesidad de conservar un mayor espesor para gestionar la potencia térmica, según Mike Kelly, de Amkor.
La dificultad aumenta con materiales nuevos como el vidrio. Según Lang Lin, de Synopsys, hoy se habla de la deformación en unidades de micrómetros, mientras que en las placas de vidrio más grandes puede alcanzar los milímetros. Por tanto, no se trata de una mejora meramente formal en la formulación de un material, sino de límites del proceso que pueden afectar a la alineación, la unión y el rendimiento de fabricación.
¿Cómo funcionan los materiales de expansión negativa?
Existen materiales que muestran una expansión térmica realmente negativa, pero su comportamiento puede limitarse a rangos térmicos concretos o estar relacionado con un cambio de fase. También puede lograrse un efecto similar mediante una red o matriz que restrinja el movimiento de otro material. La idea es que la estructura interna no permita que el material contenido se expanda libremente y pueda redirigir el movimiento molecular, de modo que la expansión total disminuya o se convierta en una contracción limitada.
Este enfoque se centra tanto en la estructura del relleno como en su composición química. Redes como house-of-cards o rigid-rod proporcionan distintos grados de rigidez e influyen en el flujo del material; asimismo, la forma en que se ensamblan los componentes y se incorporan químicamente determina su comportamiento final. Sanjiv Bhatt, de Mitsubishi Chemical Group, explicó que la cuestión se aproxima más a un problema de red o estructura que a una propiedad de un material individual.
El objetivo no es necesariamente producir un material con un coeficiente de expansión cero. La meta es ajustar el coeficiente de expansión del compuesto de moldeo para aproximarlo a los coeficientes de expansión del chip, el sustrato y el material encapsulante. De este modo, puede reducirse el desajuste térmico y la acumulación de tensiones, en lugar de intentar eliminar por completo la expansión.
De la investigación al uso comercial
Los materiales de expansión térmica negativa siguen siendo limitados. Luke Prenger, de Brewer Science, señala el uso de β-eucryptite en algunas herramientas cerámicas, mientras que el zirconium tungstate se utiliza como aditivo en ciertos tipos de compuestos de moldeo y materiales de relleno inferior. Diseñar materiales orgánicos con expansión negativa en las tres dimensiones resulta aún más difícil; los polímeros que muestran este comportamiento tienden a manifestarlo en una sola dimensión, por lo que los aditivos inorgánicos constituyen una parte esencial de la solución.
Mitsubishi Chemical Group ha comenzado a suministrar un material inorgánico que puede mezclarse con resinas epoxi para personalizar el coeficiente de expansión, y que también está disponible premezclado con la resina. Esto indica que la tecnología está pasando del ámbito de la investigación a productos que pueden probarse en aplicaciones de empaquetado electrónico, pero no que exista todavía una adopción industrial generalizada.
¿Qué limita su difusión?
- El material debe mantener su rendimiento en un rango térmico que abarque el curado y los procesos de fabricación de mayor temperatura.
- Debe mezclarse con las resinas de forma sencilla y homogénea, ya que una distribución irregular puede debilitar el resultado o crear un comportamiento inesperado.
- La pureza y las impurezas deben controlarse, especialmente porque las emisiones producidas por partículas alfa pueden afectar a la fiabilidad de los paquetes.
- La matriz restrictiva no cambia las temperaturas de transición térmica fundamentales del material contenido, como la temperatura de transición vítrea o la de fusión.
Lectura de certi.news: El cambio real aquí no es simplemente el anuncio de un material nuevo, sino el intento de trasladar la gestión de la deformación desde el nivel del diseño del paquete al nivel de la ingeniería del propio material. Si estas formulaciones demuestran que pueden funcionar de manera estable a múltiples temperaturas, podrían ayudar a eliminar una de las limitaciones mecánicas para los paquetes y las placas de mayor tamaño. Sin embargo, la fuente no presenta datos cuantitativos de rendimiento ni resultados de producción a gran escala; por ello, la pregunta abierta sigue siendo si la facilidad de mezcla, la estabilidad térmica y la pureza permitirán convertir esta vía en una práctica estándar del empaquetado avanzado.